Міцність та ресурс корпусу стопорно-регулювальних клапанів парової турбіни

Автори

А. С. Колядюк, ДП «Державний науково-інженерний центр систем контролю та аварійного реагування» (04213, Україна, м. Київ, пр. Героїв Сталінграда, 64/56), e-mail: duk86@outlook.com, ORCID: 0000-0003-2946-272X

М. Г. Шульженко, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: mklshulzhenko@gmail.com, ORCID: 0000-0002-1386-0988

О. М. Губський, Акціонерне товариство «Українські енергетичні машини» (61037, Україна, м. Харків, пр. Московський, 199)

Анотація

Стабільність експлуатації парових турбін залежить (поряд з іншими чинниками) від надійної роботи системи паророзподілу, основу якої складають стопорно-регулювальні клапани. В роботі розглядаються питання міцності елементів клапанів парової турбіни К-325-23,5, в корпусі яких після 30 тисяч годин експлуатації почали спостерігатись тріщини. Попередньо визначався характер газодинамічних процесів в проточній частині клапанів та температурний стан корпусу клапанів на основних стаціонарних режимах роботи. Для цього розв’язувалась сумісна задача течії пари та теплопровідності в стопорно-регулювальних клапанах у тривимірній постановці методом скінченних елементів. Розглядалось різне положення елементів клапанів з урахуванням фільтруючого сита. Оцінка термонапруженого стану корпусу клапанів засвідчила, що максимальні напруження на різних режимах роботи не перевищують межі плинності. Тому оцінка повзучості матеріалу корпусу клапанів є важливою для визначення його пошкодження та ресурсу. Моделювання повзучості корпусу стопорно-регулювальних клапанів парової турбіни виконувалось на основі тривимірних моделей з використанням теорії зміцнення. При цьому було враховано складові несталої та усталеної деформації повзучості. Повзучість корпусу визначена за максимальної потужності турбіни для всіх стаціонарних режимів роботи. Максимальні розрахункові значення деформацій повзучості зосереджені в патрубках корпусу перед регулювальними клапанами та в пароприймальній камері, де на практиці спостерігаються втомні дефекти. Проте навіть за 300 тисяч годин експлуатації турбіни (з умовною максимальною потужністю) на стаціонарних режимах деформації повзучості не перевищують допустимих значень. Пошкодження і ресурс корпусу клапанів оцінювалися за двома методиками, що створені в Інституті проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (2011 р.), та в Науково-виробничому об’єднанні з дослідження в проектуванні енергетичного обладнання ім. І. І. Ползунова (НВО ЦКТІ) – 1986 р. Результати оцінки пошкоджуваності і спрацювання ресурсу корпусу клапанів парової турбіни від впливу циклічного навантаження та повзучості турбіни на стаціонарних режимах роботи за 40, 200 та 300 тисяч годин свідчать, що умови термоміцності корпусу в області пароприймальної камери не порушуються (без урахування можливих недосконалостей корпусу після виготовлення). Пошкодження в патрубках корпусу клапанів після 300 тисяч годин експлуатації перевищують граничне значення з урахуванням коефіцієнтів запасу. При цьому пошкодження від повзучості на стаціонарних режимах роботи складає біля 70% від сумарного. Максимальні значення пошкодження спостерігаються в зонах корпусу, де мають місце дефекти при експлуатації системи паророзподілу турбіни. Розбіжність результатів за обома методиками по відношенню до їх середнього значення становить ~20%.

Ключові слова: стопорно-регулювальні клапани, система паророзподілу, метод скінченних елементів, термонапруження, повзучість, циклічна втома, ресурс.

Повний текст: завантажити PDF

Література

1. Судаков А. В., Гаврилов С. Н., Георгиевская Е. В., Левченко А. И., Федорова Л. В. Обоснование продления срока службы паровых турбин, имеющих детали с отклонениями от требований нормативной документации. Neftegaz.RU. 2015. Т. 2. № 1–2. С. 42–47.
2. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Зайцев Б. Ф. Задачи термопрочности, вибродиагностики и ресурса энергоагрегатов (модели, методы, результаты исследований). Saarbrticken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co.KG, 2011. 370 с.
3. Wang W., Xu S., Liu Y. Numerical investigation of creep-fatigue behavior in a steam turbine inlet valve under cyclic thermomechanical loading. J. Eng. Gas Turbines Power. Vol. 139. Iss. 11. Article ID 112502. https://doi.org/10.1115/1.4036953.
4. Rusin A. Numerical simulation of turbine valve creep. Archive Appl. Mech. 1992. Vol. 62. P. 386–393. https://doi.org/10.1007/BF00804599.
5. Колядюк А. С., Шульженко Н. Г., Ершов С. В. Течение пара и распределение температуры в системе парораспределения турбины для различных режимов ее работы. Авиац.–косм. техника и технология. 2012. № 7 (94). С. 85–90.
6. Koliadiuk A. S., Shulzhenko M. H. Thermal and stress state of the steam turbine control valve casing, with the turbine operation in the stationary modes. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2019. Vol. 22. No 2. P. 37–44. https://doi.org/10.15407/pmach2019.02.037.
7. Howard G. J. Finite element modelling of creep for an industrial application. Dissertation (MEng). University of Pretoria, 2017. 89 p.
8. Шульженко Н. Г., Колядюк А. С. Оценка влияния формы камеры на течение пара и на ползучесть корпуса регулирующего клапана турбины. Пробл. машиностроения. 2015. Т. 18. № 3. С. 45–53.
9. Шульженко М., Колядюк А. Термонапруженість, повзучість і ресурс корпусу стопорно-регулювальних клапанів парової турбіни. Матеріали 15-го міжнар. симпозіуму укр. інж.-мех.у Львові. 2021. С. 24–27. https://doi.org/10.15407/pmach2021.04.061.
10. Шульженко М. Г., Гонтаровський П. П., Матюхін Ю. І., Мележик І. І., Пожидаєв О. В. Визначення розрахункового ресурсу та оцінка живучості роторів і корпусних деталей турбін. Методичні вказівки: СОУ-Н МЕВ 40.1–21677681– 52:2011. К.: ОЕП «ГРІФРЕ»: М-во енергетики та вугільної пром-сті України, 2011. 42 с.
11. РТМ 108.021.103-85. Детали паровых стационарных турбин. Расчет на малоцикловую усталость. Ленинград: НПО ЦКТИ, 1986. 49 с.
12. Никольс Р. Конструирование и технология изготовления сосудов давления. М.: Машиностроение. 1975. 464с.
13. ОСТ 108.020.132-85. Турбины паровые стационарные. Нормы расчета на прочность корпусов цилиндров и клапанов. М.: Мин-во энерг. машиностроения. 1986. 31 с.
14. Трощенко В. Т., Сосновский Л. А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Киев: Наук. думка, 1987. 284 с.
15. Перевезенцева Т. В., Злепко В. Ф., Калугин Р. Н. Структурные особенности и жаропрочность металла центробежнолитых труб из стали 15Х1М1Ф. Тепловые электростанции. 2002. № 6. С. 47–53.
16. ОСТ 108.961.02-79. Отливки из углеродистых и легированных сталей для деталей паровых стационарных турбин с гарантированными характеристиками прочности при высоких температурах. Технические условия. НПО ЦНИИТмаш, НПО ЦКТИ. 1979. 48 с.
17. Турбина паровая К-325-23,5. Типовые технические условия. ТУ У 29.1-05762269-025:2011 Инструкция по продлению срока эксплуатации паровых турбин сверх паркового ресурса: СО 153-34.17.440-2003. М.: ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность». 2008, 158 с.

Надійшла до редакції 06.10.2021